Fachmodul Biochemie II - Exam

Aufgabe 1)

Ein Protein besteht aus mehreren Polypeptidketten und hat sowohl Sekundär-, Tertiär- als auch Quartärstrukturen. Du hast die Sequenz für ein Protein, das zwei unterschiedliche Polypeptidketten umfasst: Kette A und Kette B. Kette A besteht aus 150 Aminosäuren und Kette B aus 200 Aminosäuren. Du sollst die verschiedenen Ebenen der Proteinstruktur analysieren und deren Stabilität untersuchen.

a)

Beschreibe die wichtigen Merkmale und Wechselwirkungen der Tertiärstruktur dieses Proteins und erkläre, wie diese Wechselwirkungen zur Stabilität des Proteins beitragen. Achte dabei auf hydrophobe Wechselwirkungen, Disulfidbrücken, Ionenbindungen und Wasserstoffbrücken.

Lösung:

Tertiärstruktur von Proteinen: Merkmale und Wechselwirkungen

Die Tertiärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die dreidimensionale Anordnung seiner Polypeptidketten. Diese Ebene der Proteinstruktur wird durch verschiedene Arten von Wechselwirkungen und Bindungen stabilisiert. Im Folgenden sind die wichtigsten Merkmale und Wechselwirkungen beschrieben, die zur Stabilität der Tertiärstruktur eines Proteins beitragen:

• Hydrophobe Wechselwirkungen: Hydrophobe Aminosäuren neigen dazu, sich nach innen zu falten, weg von der wässrigen Umgebung. Diese Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Seitenketten tragen wesentlich zur Faltung und Stabilisierung des Proteins bei.
• Disulfidbrücken: Diese kovalenten Bindungen entstehen zwischen den Schwefelatomen der Cystein-Reste. Disulfidbrücken sind besonders stabil und verbinden unterschiedliche Teile des Polypeptidrückgrats, was der Tertiärstruktur mechanische Stabilität verleiht.
• Ionenbindungen (elektrostatische Wechselwirkungen): Diese Wechselwirkungen entstehen zwischen positiv geladenen (z. B. Lysin, Arginin) und negativ geladenen (z. B. Aspartat, Glutamat) Aminosäuren. Sie tragen zur Stabilisierung der Tertiärstruktur bei, indem sie spezifische Teile des Proteins miteinander verbinden.
• Wasserstoffbrücken: Diese nicht-kovalenten Bindungen entstehen zwischen einem Wasserstoffatom, das an ein elektronegatives Atom (z. B. Sauerstoff oder Stickstoff) gebunden ist, und einem elektronegativeren Atom in der Nähe. Wasserstoffbrücken sind wichtig für die Stabilität der Tertiärstruktur und tragen zur spezifischen Anordnung von Aminosäuren in der dreidimensionalen Struktur bei.

Durch das Zusammenspiel dieser verschiedenen Wechselwirkungen wird die dreidimensionale Struktur eines Proteins stabilisiert. Dies ist entscheidend für die Funktion des Proteins, da die spezifische Form oft eng mit der biologischen Aktivität verbunden ist.

Aufgabe 2)

Ein Schlüsselaspekt der enzymatischen Katalyse ist ihre Fähigkeit, Übergangszustände zu stabilisieren. Wichtige Mechanismen hierfür sind die Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse, Metallionen-Katalyse sowie Orientierung und proximale Effekte. Ein bekanntes Modell der Enzym-Substrat-Wechselwirkung ist das Induced-Fit-Modell, bei dem das Enzym seine Konformation ändert, wenn das Substrat bindet. Die katalytische Triade, oft bestehend aus Serin, Histidin und Aspartat, ist charakteristisch für Hydrolasen wie Chymotrypsin. Die kinetischen Eigenschaften von Enzymen lassen sich durch das Michaelis-Menten-Modell beschreiben:

• Säure-Base-Katalyse involviert die Protonendifferenzierung für die Substratumwandlung.
• Kovalente Katalyse besteht in der temporären Bildung einer kovalenten Bindung zwischen Enzym und Substrat.
• Metallionen-Katalyse nutzt Metallionen, um negative Ladungen zu stabilisieren oder Wasser zu polarisieren.
• Die Michaelis-Menten-Kinetik wird beschrieben durch die Formel \[ E + S \overset{k_{1}}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} ES \overset{k_{2}}{\rightarrow} E + P \ V = \frac{{V_{max} [S]}}{{K_{m} + [S]}} \]
• Die Aktivierungsenergie wird durch \[ \Delta G^{\ddag} \] repräsentiert.

a)

Beschreibe detailliert den Mechanismus der Säure-Base-Katalyse und gib ein Beispiel für ein Enzym, das diesen Mechanismus verwendet. Gehe dabei auch darauf ein, wie die Protonendifferenzierung zur Substratumwandlung beiträgt.

Lösung:

Um den Mechanismus der Säure-Base-Katalyse detailliert zu beschreiben, sollten wir einige Schlüsselaspekte betrachten. Bei der Säure-Base-Katalyse wird die Protonendifferenzierung zur Beschleunigung der Reaktion genutzt. Hierbei können sowohl Protonendonatoren (Säuren) als auch Protonenakzeptoren (Basen) eine Rolle spielen. Diese Protonenübertragung kann die Reaktivität eines Substrats erhöhen, indem sie es entweder aktivieren oder desaktivieren.

• Säurekatalyse: Durch die Bereitstellung eines Protons kann ein Protonendonator die Bildung eines besser abgehenden Gruppe fördern. Dies senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
• Basenkatalyse: Ein Protonenakzeptor kann ein Proton vom Substrat entfernen, um ein reaktiveres Intermediate zu formen, das dann leichter weiterreagieren kann.

Durch die Differenzierung der Protonenkonzentration können Enzyme die chemischen Eigenschaften des Substrats gezielt verändern, um Reaktionen zu beschleunigen.

Ein klassisches Beispiel für ein Enzym, das den Mechanismus der Säure-Base-Katalyse verwendet, ist Ribonuklease A. Ribonuklease A katalysiert den Abbau von RNA durch Hydrolyse der Phosphodiesterbindungen.

Mechanismus der Säure-Base-Katalyse bei Ribonuklease A:

• H12: Diese katalytische Histidin-Aminosäure fungiert als allgemeine Säure und spendet ein Proton, um die Abgangsgruppe zu stabilisieren.
• H119: Diese katalytische Histidin-Aminosäure fungiert als allgemeine Base und nimmt ein Proton auf, um das Angriffs-Nukleophil zu aktivieren.

Durch den koordinierten Einsatz dieser beiden Histidin-Reste wird die hydrolytische Reaktion beschleunigt, indem die Protonendifferenzierung zur Substratumwandlung beiträgt.

Zusammengefasst, ermöglicht die Säure-Base-Katalyse eine fein abgestimmte Protonenübertragung, die die chemische Umgebung des Substrats verändert und dadurch die Reaktivität erhöht.

b)

Erkläre das Induced-Fit-Modell der Enzym-Substrat-Wechselwirkung. Wie unterscheidet sich dieses vom Schlüssel-Schloss-Modell? Welchen Vorteil bietet das Induced-Fit-Modell in Bezug auf die katalytische Effizienz eines Enzyms?

Lösung:

Das Induced-Fit-Modell der Enzym-Substrat-Wechselwirkung beschreibt, wie das Enzym seine Konformation ändert, wenn das Substrat bindet. Dies bedeutet, dass das aktive Zentrum des Enzyms flexibel ist und sich an die Form des Substrats anpasst. Dieser Prozess erhöht die Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat und stabilisiert den Übergangszustand, was zu einer effizienteren Katalyse führt.

Induced-Fit-Modell erklärt in Schritten:

• Im Ruhezustand hat das Enzym eine allgemeine Konformation.
• Wenn das Substrat in die Nähe des aktiven Zentrums gelangt, induziert es eine Änderung in der Enzymkonformation, die das aktive Zentrum besser an das Substrat anpasst.
• Durch diese Anpassung werden die Bindungswechselwirkungen maximiert und der Übergangszustand stabilisiert.
• Nach der Reaktion kehrt das Enzym in seine ursprüngliche Form zurück, bereit für eine weitere katalytische Runde.

Das Schlüssel-Schloss-Modell hingegen geht davon aus, dass das aktive Zentrum des Enzyms bereits in einer perfekten Passform für das Substrat vorhanden ist. Dieses Modell sieht das aktive Zentrum des Enzyms als rigide Struktur und lässt keine Veränderung bei der Bindung des Substrats zu.

Vergleich Induced-Fit-Modell vs. Schlüssel-Schloss-Modell:

• Induced-Fit-Modell: Flexibilität und Veränderung der Enzymkonformation nach Bindung des Substrats. Bietet höhere Effizienz durch besseres Anpassen an verschiedene Substrate und Übergangszustände.
• Schlüssel-Schloss-Modell: Starre Struktur des Enzyms, die perfekt zum Substrat passt. Weniger Anpassungsfähigkeit und Effizienz im Vergleich zum Induced-Fit-Modell.

Vorteile des Induced-Fit-Modells in Bezug auf die katalytische Effizienz:

• Erhöhte Spezifität: Durch die Konformationsänderung passt sich das Enzym besser an das Substrat an, was eine präzisere Bindung ermöglicht.
• Übergangszustand-Stabilisierung: Die Anpassung des aktiven Zentrums hilft, den Übergangszustand zu stabilisieren, wodurch die Aktivierungsenergie der Reaktion gesenkt wird.
• Vielseitigkeit: Enzyme können eine breitere Palette von Substraten binden und umsetzen, da sie sich an verschiedene Formen anpassen können.

Zusammengefasst bietet das Induced-Fit-Modell eine flexible und effiziente Möglichkeit, die katalytische Aktivität von Enzymen zu steigern, indem es die Wechselwirkungen mit dem Substrat maximiert und den Übergangszustand stabilisiert.

c)

Berechne die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (V_max) und die Michaelis-Konstante (K_m) für ein Enzym, das nach der Michaelis-Menten-Kinetik arbeitet. Gegeben sind die Werte:

• Substratkonzentration [S] = 0,005 M
• Initiale Reaktionsgeschwindigkeit V_0 = 200 μmol/min
• Reaktionsgeschwindigkeit bei Substratsättigung V_{max} = 300 μmol/min
Verwende die Michaelis-Menten-Gleichung und zeige deine Berechnungen.

Lösung:

Um die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (V_max) und die Michaelis-Konstante (K_m) für das Enzym zu berechnen, das nach der Michaelis-Menten-Kinetik arbeitet, verwenden wir die Michaelis-Menten-Gleichung:

Die Michaelis-Menten-Gleichung lautet:

\[ V = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} \]

Wobei:

• V = initiale Reaktionsgeschwindigkeit
• [S] = Substratkonzentration
• V_max = maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• K_m = Michaelis-Konstante

Gegebene Daten:

• [S] = 0,005 M
• V₀ = 200 μmol/min
• V_max = 300 μmol/min

Setzen wir diese Werte in die Michaelis-Menten-Gleichung ein:

\[ 200 = \frac{300 \times 0,005}{K_m + 0,005} \]

Um K_m zu finden, lösen wir die Gleichung nach K_m auf.

Multiplizieren beider Seiten der Gleichung mit (K_m + 0,005):

\[ 200 \times (K_m + 0,005) = 300 \times 0,005 \]

Dies ergibt:

\[ 200K_m + 200 \times 0,005 = 1,5 \]

Wir vereinfachen dies weiter:

\[ 200K_m + 1 = 1,5 \]

Subtrahieren wir 1 von beiden Seiten:

\[ 200K_m = 0,5 \]

Teilen wir beide Seiten durch 200:

\[ K_m = \frac{0,5}{200} \]

\[ K_m = 0,0025 \, M \]

Zusammengefasst:

• Michaelis-Konstante (K_m) = 0,0025 M
• Maximale Reaktionsgeschwindigkeit (V_max) = 300 μmol/min

Aufgabe 3)

Betrachte eine enzymatische Reaktion, die der Michaelis-Menten-Theorie folgt. Gegeben ist ein Enzym mit einem V_{max} von 120 \textmu M/min und einem K_m von 30 \textmu M. Die Verwendung dieses Enzyms bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen soll untersucht werden.

a)

Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit v bei einer Substratkonzentration von 15 \textmu M. Verwende dazu die Michaelis-Menten-Gleichung:

Michaelis-Menten-Gleichung:

v = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]}

Lösung:

Um die Reaktionsgeschwindigkeit v bei einer Substratkonzentration von 15 \textmu M zu berechnen, verwenden wir die Michaelis-Menten-Gleichung:

v = \frac{V_{max} \cdot [S]}{K_m + [S]}

Gegeben sind:

• V_{max} = 120 \textmu M/min
• K_m = 30 \textmu M
• Substratkonzentration [S] = 15 \textmu M

Setzen wir diese Werte in die Gleichung ein:

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 15 \textmu M}{30 \textmu M + 15 \textmu M}

Zuerst berechnen wir den Nenner:

30 \textmu M + 15 \textmu M = 45 \textmu M

Nun setzen wir den Nenner in die Gleichung ein:

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 15 \textmu M}{45 \textmu M}

Jetzt können wir die Division und Multiplikation durchführen:

v = \frac{1800 \textmu M^2/min}{45 \textmu M} = 40 \textmu M/min

Die Reaktionsgeschwindigkeit v bei einer Substratkonzentration von 15 \textmu M beträgt somit 40 \textmu M/min.

b)

Zeichne ein Lineweaver-Burk-Diagramm für diese enzymatische Reaktion. Berechne dazu die Werte für \frac{1}{v} und \frac{1}{[S]} für mindestens fünf verschiedene Substratkonzentrationen im Bereich von 5 \textmu M bis 60 \textmu M und trage diese in das Diagramm ein.

Lösung:

Um ein Lineweaver-Burk-Diagramm zu zeichnen, müssen wir zuerst die Michaelis-Menten-Gleichung auf die doppelte Reziproke nehmen:

\frac{1}{v} = \frac{K_m + [S]}{V_{max} [S]}

Dies kann weiter vereinfacht werden zu:

\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max} [S]} + \frac{1}{V_{max}}

Diese Gleichung ist linear in der Form von:

\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}}

Gegeben ist:

• V_{max} = 120 \textmu M/min
• K_m = 30 \textmu M

Berechne die Werte von \(\frac{1}{v}\) und \(\frac{1}{[S]}\) für fünf verschiedene Substratkonzentrationen im Bereich von 5 \textmu M bis 60 \textmu M: 5 \textmu M, 15 \textmu M, 30 \textmu M, 45 \textmu M, und 60 \textmu M.

Für jede Substratkonzentration \([S]\) verwenden wir die Michaelis-Menten-Gleichung um \(v\) zu berechnen:

• Für \([S] = 5 \textmu M\):

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 5 \textmu M}{30 \textmu M + 5 \textmu M} = \frac{600}{35} = 17.14 \textmu M/min

\frac{1}{v} = \frac{1}{17.14} = 0.0583 \min/\textmu M

\frac{1}{[S]} = \frac{1}{5} = 0.2 \textmu M^{-1}

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 15 \textmu M}{30 \textmu M + 15 \textmu M} = \frac{1800}{45} = 40 \textmu M/min

\frac{1}{v} = \frac{1}{40} = 0.025 \min/\textmu M

\frac{1}{[S]} = \frac{1}{15} = 0.0667 \textmu M^{-1}

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 30 \textmu M}{30 \textmu M + 30 \textmu M} = \frac{3600}{60} = 60 \textmu M/min

\frac{1}{v} = \frac{1}{60} = 0.0167 \min/\textmu M

\frac{1}{[S]} = \frac{1}{30} = 0.0333 \textmu M^{-1}

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 45 \textmu M}{30 \textmu M + 45 \textmu M} = \frac{5400}{75} = 72 \textmu M/min

\frac{1}{v} = \frac{1}{72} = 0.0139 \min/\textmu M

\frac{1}{[S]} = \frac{1}{45} = 0.0222 \textmu M^{-1}

v = \frac{120 \textmu M/min \cdot 60 \textmu M}{30 \textmu M + 60 \textmu M} = \frac{7200}{90} = 80 \textmu M/min

\frac{1}{v} = \frac{1}{80} = 0.0125 \min/\textmu M

\frac{1}{[S]} = \frac{1}{60} = 0.0167 \textmu M^{-1}

Trage diese Werte in das Lineweaver-Burk-Diagramm ein, wobei \(\frac{1}{[S]}\) auf der x-Achse und \(\frac{1}{v}\) auf der y-Achse aufgetragen werden.

c)

Erkläre, was die Steigung und der Y-Achsenabschnitt der Lineweaver-Burk-Diagramm-Gerade bedeuten. Gib an, wie diese Werte mit den Parametern V_{max} und K_m zusammenhängen und interpretiere sie vor dem Hintergrund der kinetischen Eigenschaften des Enzyms.

Lösung:

Im Lineweaver-Burk-Diagramm wird die doppelte Reziproke der Michaelis-Menten-Gleichung aufgetragen, was zu einer linearen Gleichung führt:

\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max} [S]} + \frac{1}{V_{max}}

Dies entspricht der allgemeinen Form einer linearen Gleichung:

y = mx + b

In diesem Kontext haben wir:

• \(y = \frac{1}{v}\) (die y-Achse)
• \(x = \frac{1}{[S]}\) (die x-Achse)
• \(m = \frac{K_m}{V_{max}}\) (die Steigung der Geraden)
• \(b = \frac{1}{V_{max}}\) (der y-Achsenabschnitt)

Im Einzelnen bedeuten diese Werte:

• Die Steigung \(m = \frac{K_m}{V_{max}}\): Die Steigung der Linie im Lineweaver-Burk-Diagramm repräsentiert das Verhältnis von \(K_m\) zu \(V_{max}\). Ein niedriger Wert für \(K_m\) bedeutet, dass das Enzym eine hohe Affinität zum Substrat hat, weil eine geringere Substratkonzentration erforderlich ist, um die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit zu erreichen. Ein höherer Wert von \(V_{max}\) zeigt an, dass das Enzym eine hohe maximale Reaktionsgeschwindigkeit hat. Daher reflektiert die Steigung die Effizienz und das Bindungsverhalten des Enzyms.
• Der y-Achsenabschnitt \(b = \frac{1}{V_{max}}\): Der y-Achsenabschnitt beschreibt das Inverse der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit. Je kleiner der y-Achsenabschnitt, desto größer ist \(V_{max}\). Ein hohes \(V_{max}\) zeigt, dass das Enzym bei hohen Substratkonzentrationen eine hohe Geschwindigkeit erreichen kann.

Zusammengefasst liefert das Lineweaver-Burk-Diagramm wichtige Informationen über die kinetischen Eigenschaften des Enzyms. Die Steigung bietet Einblick in die Affinität des Enzyms zum Substrat (\(K_m\)), während der y-Achsenabschnitt die Effizienz des Enzyms bei der Umsetzung des Substrats in das Produkt (\(V_{max}\)) zeigt.

Aufgabe 4)

Betrachte die wichtigsten Mechanismen der Energiegewinnung in der Zelle durch die Glykolyse, den Zitronensäurezyklus und die oxidative Phosphorylierung. Analysiere die biochemischen Reaktionen, die bei jedem dieser Prozesse ablaufen, und berücksichtige, wie sie zur Gesamtenergiebilanz der Zelle beitragen.

a)

Teilaufgabe A: Berechne die theoretische maximale Anzahl an ATP-Molekülen, die durch den vollständigen Abbau eines Glukosemoleküls unter aeroben Bedingungen erzeugt werden kann. Berücksichtige dabei die Summengleichungen der Glykolyse, des Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung. Gehe davon aus, dass ein NADH ungefähr 2,5 ATP und ein FADH2 ungefähr 1,5 ATP erzeugt.

Lösung:

Teilaufgabe A: Berechnung der theoretischen maximalen Anzahl an ATP-Molekülen

Um die theoretische maximale Anzahl an ATP-Molekülen zu berechnen, die durch den vollständigen Abbau eines Glukosemoleküls unter aeroben Bedingungen erzeugt werden kann, betrachten wir die folgenden biochemischen Prozesse: Glykolyse, Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung.

• Glykolyse:In der Glykolyse wird ein Molekül Glukose in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt. Dabei entstehen:
  • 2 NADH (entspricht 2 NADH * 2,5 ATP/NADH = 5 ATP)
  • 2 ATP direkt
  Gesamtertrag: 5 ATP + 2 ATP = 7 ATP
• Zitronensäurezyklus (pro Pyruvat):Jedes Pyruvat wird zu Acetyl-CoA umgewandelt, und dabei wird 1 NADH erzeugt. Danach durchläuft Acetyl-CoA den Zitronensäurezyklus:
  • 1 NADH bei der Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA (1 NADH * 2,5 ATP/NADH = 2,5 ATP)
  • 3 NADH im Zitronensäurezyklus (3 NADH * 2,5 ATP/NADH = 7,5 ATP)
  • 1 FADH2 im Zitronensäurezyklus (1 FADH2 * 1,5 ATP/FADH2 = 1,5 ATP)
  • 1 GTP (äquivalent zu 1 ATP)
  Gesamtertrag pro Pyruvat: 2,5 ATP (Pyruvat zu Acetyl-CoA) + 7,5 ATP + 1,5 ATP + 1 ATP = 12,5 ATPDa aus 1 Glukose 2 Pyruvat entstehen, verdoppelt sich dieser Wert: 12,5 ATP * 2 = 25 ATP
• Oxidative Phosphorylierung: In der oxidativen Phosphorylierung werden die NADH und FADH2 aus den vorherigen Schritten zur ATP-Produktion verwendet:
  • 10 NADH (2 von Glykolyse, 2 von Pyruvat-Dehydrogenase, 6 aus dem Zitronensäurezyklus) = 10 * 2,5 ATP = 25 ATP
  • 2 FADH2 (aus dem Zitronensäurezyklus) = 2 * 1,5 ATP = 3 ATP

Also insgesamt:

• Glykolyse: 7 ATP
• Zitronensäurezyklus: 25 ATP
• Oxidative Phosphorylierung: 28 ATP

b)

Teilaufgabe B: Erläutere die Rolle der Elektronentransportkette in der oxidativen Phosphorylierung und beschreibe, wie der Protonengradient entsteht und wie dieser zur ATP-Synthese beiträgt. Nutze die chemiosmotische Theorie zur Erklärung.

Lösung:

Teilaufgabe B: Die Rolle der Elektronentransportkette in der oxidativen Phosphorylierung

In der oxidativen Phosphorylierung spielt die Elektronentransportkette (ETC) eine zentrale Rolle. Diese befindet sich in der inneren Mitochondrienmembran und besteht aus einer Reihe von Protein-Komplexen und mobilen Elektronenträgern, die Elektronen von NADH und FADH2 zu Sauerstoff transportieren. Dies führt zur Bildung von Wasser.

• Elektronentransportkette (ETC):Die ETC besteht aus vier Hauptkomplexen:
  • Komplex I (NADH-Dehydrogenase): NADH gibt seine Elektronen an FMN (Flavinmononukleotid) ab, welche dann über Eisen-Schwefel-Cluster an Ubichinon (Coenzym Q) weitergeleitet werden. Dabei werden Protonen von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum gepumpt.
  • Komplex II (Succinat-Dehydrogenase): FADH2 gibt seine Elektronen direkt an Ubichinon ab, ohne Protonen zu pumpen.
  • Komplex III (Ubichinol-Cytochrom-c-Reduktase): Ubichinol (reduziertes Ubichinon) gibt Elektronen an Cytochrom c ab, wobei Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden.
  • Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase): Cytochrom c überträgt Elektronen auf Sauerstoff, was zur Bildung von Wasser führt. Dabei werden weitere Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

Während des Elektronentransports durch diese Komplexe werden Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum gepumpt. Dies führt zur Bildung eines Protonengradienten, auch als elektrochemischer Protonen-Gradient bezeichnet.

Entstehung des Protonengradienten

Der Protonengradient entsteht durch die Protonen, die von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt werden, was zu einer hohen Konzentration von H⁺-Ionen im Intermembranraum und einer niedrigen Konzentration von H⁺-Ionen in der Matrix führt.

Die Chemiosmotische Theorie

Die chemiosmotische Theorie, vorgeschlagen von Peter Mitchell, erklärt, wie der Protonengradient zur ATP-Synthese beiträgt:

• Die entstandene Protonenmotorische Kraft (PMK) besteht aus zwei Komponenten: einem chemischen Gradienten (pH-Gradient) und einem elektrischen Gradienten (Membranpotential).
• Protonen im Intermembranraum strömen durch das ATP-Synthase-Enzym zurück in die Matrix, getrieben durch die PMK. Dieser Rückfluss stellt die Energie zur Verfügung, die benötigt wird, um ADP und anorganisches Phosphat (Pi) zu ATP zu phosphorylieren.

Die ATP-Synthase besteht aus einem Fo-Teil, der als Protonenkanal fungiert, und einem F1-Teil, der die ATP-Produktion katalysiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Elektronentransportkette die Energie stufenweise in kleine Einheiten umwandelt, die dann zur Erzeugung eines Protonengradienten genutzt werden. Dieser Gradient treibt schließlich die ATP-Synthase an, was zur Synthese von ATP führt, dem universellen Energieträger der Zelle.

c)

Teilaufgabe C: Beschreibe die Regulation des Zitronensäurezyklus. Welche Enzyme sind Schlüsselpunkte für die Kontrolle? Wie wird die Aktivität dieser Enzyme durch verschiedene Metaboliten reguliert? Diskutiere die Rolle von ATP, NADH und Acetyl-CoA in der Regulation des Zitronensäurezyklus.

Lösung:

Teilaufgabe C: Regulation des Zitronensäurezyklus

Der Zitronensäurezyklus (auch Krebs-Zyklus oder Citratzyklus genannt) ist ein wesentlicher Bestandteil des Zellstoffwechsels, bei dem Acetyl-CoA oxidiert wird und Energie in Form von NADH, FADH2 und ATP / GTP erzeugt wird. Die Regulation des Zitronensäurezyklus stellt sicher, dass der Zellstoffwechsel effizient und bedarfsgerecht abläuft.

Schlüsselenzyme und Kontrollpunkte

Die Regulation des Zitronensäurezyklus erfolgt hauptsächlich durch die Kontrolle bestimmter Schlüsselenzyme. Diese Enzyme sind:

• Citrat-Synthase: Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt des Zyklus, bei dem Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat kondensieren.
• Isocitrat-Dehydrogenase: Dieses Enzym katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat.
• α-Ketoglutarat-Dehydrogenase: Dieses Enzym katalysiert die oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA.

Regulation durch Metaboliten

Die Aktivität der Schlüsselenzyme im Zitronensäurezyklus wird durch verschiedene Metaboliten reguliert:

• ATP: ATP wirkt als wichtiger negativer Regulator. Wenn genügend ATP vorhanden ist, signalisiert es, dass die Zelle ausreichend Energie hat, und hemmt somit die Aktivität der Citrat-Synthase und der Isocitrat-Dehydrogenase. Es handelt sich dabei um eine Form der allosterischen Hemmung.
• NADH: NADH, ein Produkt des Citratzyklus, hemmt die Citrat-Synthase, die Isocitrat-Dehydrogenase und die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Hohe Konzentrationen von NADH signalisieren, dass die oxidative Phosphorylierung ausreichend Elektronenträger hat und daher der Citratzyklus verlangsamt werden kann.
• Acetyl-CoA: Acetyl-CoA ist sowohl ein Substrat als auch ein Regulator. Hohe Mengen an Acetyl-CoA signalisieren genug Ausgangsprodukt für den Citratzyklus. Die Citrat-Synthase wird durch Acetyl-CoA positiv stimuliert. Jedoch kann überschüssiges Acetyl-CoA, das aus dem Abbau von Fetten stammt, auch zur Produktion von Ketonkörpern in der Leber verwendet werden.
• Calcium-Ionen (Ca²⁺): In Muskelzellen fördern Calcium-Ionen die Aktivität der Isocitrat-Dehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Dies stellt sicher, dass während der Muskelkontraktion genügend Energie bereitgestellt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Regulation des Zitronensäurezyklus durch fein abgestimmte Wechselwirkungen verschiedener Metaboliten und allosterischer Regulatoren erfolgt. Diese Regulation stellt sicher, dass der Energiebedarf der Zelle effizient gedeckt wird und dass der Zyklus bei Überfluss gestoppt wird, um Ressourcen zu speichern und Überproduktion zu vermeiden.